移动通信第2章_无线通信电波传播及干扰(4)

1、重庆大学重庆大学 Chongqing University University 1 12021年年10月月18日星期一日星期一移动通信系统移动通信系统第二章第二章 无线通信电波传播与干扰无线通信电波传播与干扰重庆大学重庆大学 Chongqing University University 2 22021年年10月月18日星期一日星期一第二章第二章 无线通信电波传播与干扰无线通信电波传播与干扰2.1 2.1 概述概述2.2 2.2 自由空间传播自由空间传播2.3 2.3 多径传播的基本特性多径传播的基本特性2.4 2.4 多径传播对数字传输的影响多径传播对数字传输的影响2.5 2.5 阴影衰落

2、传播阴影衰落传播2.6 2.6 电波传播的路径损耗预测模型电波传播的路径损耗预测模型2.7 2.7 多径传播的建模与仿真多径传播的建模与仿真2.8 2.8 外部噪声与干扰外部噪声与干扰重庆大学重庆大学 Chongqing University University 3 32021年年10月月18日星期一日星期一2.1.1 2.1.1 电磁波传播电磁波传播2.1.2 2.1.2 移动信道移动信道2.1.3 2.1.3 陆地移动信道无线电波传播陆地移动信道无线电波传播2.1.4 2.1.4 地形环境分类地形环境分类2.1 概述概述重庆大学重庆大学 Chongqing University Univ

3、ersity 4 42021年年10月月18日星期一日星期一电磁波传播特性电磁波传播特性 电磁波传播特性是研究无线通信系统的首要问题电磁波传播特性是研究无线通信系统的首要问题 传播特性如何直接关系到一系列系统设计问题传播特性如何直接关系到一系列系统设计问题 通信设备的能力通信设备的能力 天线高度确定天线高度确定 通信距离的计算通信距离的计算 如何保证优质可靠通信如何保证优质可靠通信2.1 概述概述重庆大学重庆大学 Chongqing University University 5 52021年年10月月18日星期一日星期一电磁波传播路径电磁波传播路径 移动通信工作于移动通信工作于VHFVHF和

4、和UHFUHF频段频段 传播路径传播路径 直射波直射波视距传播视距传播 折射波折射波 地表面波地表面波 移动信道移动信道 多径衰落多径衰落2.1 概述概述直射波反射波绕射波散射波重庆大学重庆大学 Chongqing University University 6 62021年年10月月18日星期一日星期一电磁波传播路径电磁波传播路径2.1 概述概述1) 直射波：电波传播过程中没有遇到任何的障碍物直射波：电波传播过程中没有遇到任何的障碍物, 直接到达接收端的直接到达接收端的电波电波, 称为直射波。直射波更多出现于理想的电波传播环境中。称为直射波。直射波更多出现于理想的电波传播环境中。 2) 反射

5、波：电波在传播过程中遇到比自身的波长大得多的物体时反射波：电波在传播过程中遇到比自身的波长大得多的物体时, 会在会在物体表面发生反射物体表面发生反射, 形成反射波。形成反射波。 反射常发生于地表、反射常发生于地表、 建筑物的墙建筑物的墙壁表面等。壁表面等。 3) 绕射波：电波在传播过程中被尖利的边缘阻挡时绕射波：电波在传播过程中被尖利的边缘阻挡时, 会由阻挡表面产生会由阻挡表面产生二次波二次波, 二次波能够散布于空间二次波能够散布于空间, 甚至到达阻挡体的背面甚至到达阻挡体的背面, 那些到达阻那些到达阻挡体背面的电波就称为绕射波。挡体背面的电波就称为绕射波。 由于地球表面的弯曲性和地表物体由于

6、地球表面的弯曲性和地表物体的密集性的密集性, 使得绕射波在电波传播过程中起到了重要作用使得绕射波在电波传播过程中起到了重要作用。 4) 散射波：电波在传播过程中遇到障碍物表面粗糙或者体积小但数目散射波：电波在传播过程中遇到障碍物表面粗糙或者体积小但数目多时多时, 会在其表面发生散射会在其表面发生散射, 形成散射波。形成散射波。 散射波可能散布于许多方散射波可能散布于许多方向向, 因而电波的能量也被分散于多个方向。因而电波的能量也被分散于多个方向。 重庆大学重庆大学 Chongqing University University 7 72021年年10月月18日星期一日星期一2.1.1 2.1.

7、1 电磁波传播电磁波传播2.1.2 2.1.2 移动信道移动信道2.1.3 2.1.3 陆地移动信道无线电波传播陆地移动信道无线电波传播2.1.4 2.1.4 地形环境分类地形环境分类2.1 概述概述重庆大学重庆大学 Chongqing University University 8 82021年年10月月18日星期一日星期一移动信道的复杂性移动信道的复杂性 移动信道是最复杂的一种通信信道移动信道是最复杂的一种通信信道 有线信道信噪比为有线信道信噪比为46dB,46dB,传输波动不超过传输波动不超过1 12dB,2dB,传输质量可控传输质量可控 无线信道衰落无线信道衰落（信号强度的骤然降低）深

8、度可达（信号强度的骤然降低）深度可达30dB30dB；在城市；在城市环境中，一辆快速行驶车辆上的移动台的接收信号在一秒钟之内环境中，一辆快速行驶车辆上的移动台的接收信号在一秒钟之内的显著衰落可达数十次，这种衰落现象严重恶化接收信号的质量，的显著衰落可达数十次，这种衰落现象严重恶化接收信号的质量，影响通信可靠性影响通信可靠性 同频干扰。衰落使接收信号弱于同频干扰信号，接收机就会锁同频干扰。衰落使接收信号弱于同频干扰信号，接收机就会锁定在错误信号上定在错误信号上 衰落使数字通信的误比特率衰落使数字通信的误比特率(BER)(BER)大大增加大大增加 在有线信道中能够很好工作的语音编码器、调制解调器和

9、同步在有线信道中能够很好工作的语音编码器、调制解调器和同步装置在移动环境中工作性能将会大大恶化装置在移动环境中工作性能将会大大恶化2.1 概述概述重庆大学重庆大学 Chongqing University University 9 92021年年10月月18日星期一日星期一移动信道在无线通信中的位置移动信道在无线通信中的位置2.1 概述概述重庆大学重庆大学 Chongqing University University 10102021年年10月月18日星期一日星期一 移动信道的衰落特性取决于无线电波传播环境。移动信道的衰落特性取决于无线电波传播环境。 影响移动信道特性的影响移动信道特性的三个

10、因素三个因素 传播环境对移动信道特性起着关键作用传播环境对移动信道特性起着关键作用 系统工作频率对移动信道特性的影响系统工作频率对移动信道特性的影响 工作频率越高，接收信号衰落越大工作频率越高，接收信号衰落越大 移动台运动状况对移动信道特性的影响移动台运动状况对移动信道特性的影响 运动速度越高，移动信道特性越复杂运动速度越高，移动信道特性越复杂移动信道衰落特性移动信道衰落特性2.1 概述概述重庆大学重庆大学 Chongqing University University 11112021年年10月月18日星期一日星期一 确定某个特定区域的传播环境的主要因素确定某个特定区域的传播环境的主要因素

11、自然地形自然地形( (高山、丘陵、平原或水域等高山、丘陵、平原或水域等) ) 人工建筑的数量、高度、分布和材料特性人工建筑的数量、高度、分布和材料特性 该地区的植被特征该地区的植被特征 天气状况天气状况 自然的和人为的电磁噪声状况自然的和人为的电磁噪声状况传播环境对移动信道的影响传播环境对移动信道的影响2.1 概述概述重庆大学重庆大学 Chongqing University University 12122021年年10月月18日星期一日星期一2.1 概述概述移动信道环境的影响移动信道环境的影响基站天线与移动台天线存在显著高度差别重庆大学重庆大学 Chongqing University U

12、niversity 13132021年年10月月18日星期一日星期一2.1 概述概述移动信道环境的影响移动信道环境的影响近端区域物体的反射导致多径衰落重庆大学重庆大学 Chongqing University University 14142021年年10月月18日星期一日星期一 复杂、恶劣的传播条件是移动信道的特征复杂、恶劣的传播条件是移动信道的特征 抵消衰落影响的各种技术措施抵消衰落影响的各种技术措施 抗衰落技术：分集、扩频跳频、均衡、交织和抗衰落技术：分集、扩频跳频、均衡、交织和纠错编码纠错编码 信号传输方式：调制方式信号传输方式：调制方式 各种抗衰落技术和数字传输技术的研究对发展数各种

13、抗衰落技术和数字传输技术的研究对发展数字移动通信系统十分重要字移动通信系统十分重要移动信道衰落特性移动信道衰落特性2.1 概述概述重庆大学重庆大学 Chongqing University University 15152021年年10月月18日星期一日星期一 复杂复杂无线移动通信信道的基本特点：无线移动通信信道的基本特点： 以地波形式传播以地波形式传播 同时受电波传播时的衍同时受电波传播时的衍( (绕绕) )射、反射、射、反射、 散射和吸收等现象影响散射和吸收等现象影响 从观察时间的角度，可分为长期慢衰落从观察时间的角度，可分为长期慢衰落 效应和短期快衰落效应效应和短期快衰落效应 对接收信号

14、的主要影响是多径衰落对接收信号的主要影响是多径衰落 可从时间和空间描述、测试多径衰落可从时间和空间描述、测试多径衰落无线移动通信信道的基本特点无线移动通信信道的基本特点2.1 概述概述重庆大学重庆大学 Chongqing University University 16162021年年10月月18日星期一日星期一对移动信道的研究对移动信道的研究 移动信道的研究是移动通信研究的热点。移动信道的研究是移动通信研究的热点。 移动信道已成为许多理论分析和现场实测的移动信道已成为许多理论分析和现场实测的课题课题 由于移动信道的复杂性，仍有许多由于移动信道的复杂性，仍有许多待研究待研究课课题题2.1 概述

15、概述重庆大学重庆大学 Chongqing University University 17172021年年10月月18日星期一日星期一 移动信道的基本研究方法移动信道的基本研究方法 理论分析理论分析。用电磁场理论或统计理论分析电波在移动用电磁场理论或统计理论分析电波在移动环境中的传播特性，并用各种数学模型来描述移动信道。环境中的传播特性，并用各种数学模型来描述移动信道。 现场电波传播实测现场电波传播实测。在不同的传播环境中，对电波传在不同的传播环境中，对电波传播实测试验。播实测试验。 移动信道的计算机模拟移动信道的计算机模拟。是近年来随着计算机技术的是近年来随着计算机技术的发展而出现的研究方法

16、。发展而出现的研究方法。 上述三种研究方法是相辅相成的。在实际研究工作中，上述三种研究方法是相辅相成的。在实际研究工作中，往往处于研究进程的不同阶段。往往处于研究进程的不同阶段。对移动信道的研究对移动信道的研究2.1 概述概述重庆大学重庆大学 Chongqing University University 18182021年年10月月18日星期一日星期一 移动信道（电波传播）特性的研究结果移动信道（电波传播）特性的研究结果 对移动环境中电波传播特性给出某种统计描述。对移动环境中电波传播特性给出某种统计描述。如，移动环境中接收信号的幅度在大多数情况下如，移动环境中接收信号的幅度在大多数情况下符合

17、瑞利分布。在有些情况，则更符合莱斯分布。符合瑞利分布。在有些情况，则更符合莱斯分布。电波衰落特性的统计规律，为研究移动信道抗衰电波衰落特性的统计规律，为研究移动信道抗衰落技术提供了基本依据。落技术提供了基本依据。 建立电波传播模型。模型可包括图表、近似计建立电波传播模型。模型可包括图表、近似计算公式等。算公式等。对移动信道的研究对移动信道的研究2.1 概述概述重庆大学重庆大学 Chongqing University University 19192021年年10月月18日星期一日星期一 移动通信系统设计的技术问题移动通信系统设计的技术问题 无线电信号在移动信道中可能发生的变化以及发生无线电信

18、号在移动信道中可能发生的变化以及发生这些变化的原因这些变化的原因 对于特定的无线传输技术，这些变化对传输质量和对于特定的无线传输技术，这些变化对传输质量和系统性能有什么影响系统性能有什么影响 有哪些方法或技术可供用来克服这些不利影响有哪些方法或技术可供用来克服这些不利影响 本章讲解第一个问题，即移动信道（电波传播）特性本章讲解第一个问题，即移动信道（电波传播）特性如何？这是研究移动通信首先必须搞清楚的问题。后两如何？这是研究移动通信首先必须搞清楚的问题。后两个问题不做详细讲述，可参考有关文献资料。个问题不做详细讲述，可参考有关文献资料。对移动信道的研究对移动信道的研究2.1 概述概述重庆大学重

19、庆大学 Chongqing University University 20202021年年10月月18日星期一日星期一2.1.1 2.1.1 电磁波传播电磁波传播2.1.2 2.1.2 移动信道移动信道2.1.3 2.1.3 陆地移动信道无线电波传播陆地移动信道无线电波传播2.1.4 2.1.4 地形环境分类地形环境分类2.1 概述概述重庆大学重庆大学 Chongqing University University 21212021年年10月月18日星期一日星期一陆地移动信道无线电波传播数学描述陆地移动信道无线电波传播数学描述 移动信道是一种时变信道。无线电信号通过移动移动信道是一种时变信道

20、。无线电信号通过移动信道时会遭受来自不同途径的损耗。信道时会遭受来自不同途径的损耗。损耗包括三损耗包括三个部分个部分。接收信号功率可用公式表示为：。接收信号功率可用公式表示为： )()()(dRdSddPn ：表示移动台与基站的距离（矢量）：表示移动台与基站的距离（矢量）d 接收信号功率是距离的函数、时间的函数接收信号功率是距离的函数、时间的函数 知道接收信号的功率知道接收信号的功率P(t)P(t)，与知道场强，与知道场强E(t)E(t)和幅度和幅度r(t)r(t)等效等效 2.1 概述概述重庆大学重庆大学 Chongqing University University 22222021年年1

21、0月月18日星期一日星期一三类衰减效应三类衰减效应 三类衰减效应三类衰减效应)()()(dRdSddPn 空间传播损耗与弥散空间传播损耗与弥散，用，用 表示，其中表示，其中n n一般取一般取3-43-4。 阴影衰落阴影衰落，用，用 表示。表示。 多径衰落多径衰落，用，用 表示。表示。nd)(dS)(dR2.1 概述概述重庆大学重庆大学 Chongqing University University 23232021年年10月月18日星期一日星期一三类衰落效应图三类衰落效应图空间传播损耗与弥散空间传播损耗与弥散多径衰落多径衰落阴影衰落阴影衰落 三种衰落效应表现在不同距离（时间）范围内。下图给三种

22、衰落效应表现在不同距离（时间）范围内。下图给出了一种典型的实测接收信号场强分布。出了一种典型的实测接收信号场强分布。2.1 概述概述重庆大学重庆大学 Chongqing University University 24242021年年10月月18日星期一日星期一三类衰落效应图三类衰落效应图 多径衰落：多径衰落：移动传播环境移动传播环境的多径传输而引起的衰落。的多径传输而引起的衰落。是移动信道特性中最具特色是移动信道特性中最具特色的部分。的部分。 数十波长的范围内，接收数十波长的范围内，接收信号场强的瞬时值呈现快速信号场强的瞬时值呈现快速变化的特征。变化的特征。 衰落特性符合衰落特性符合瑞利分布

23、瑞利分布。 这种衰落由于衰落速率较这种衰落由于衰落速率较快，又可称为快，又可称为快衰落快衰落或短区或短区间衰落。间衰落。 在数十波长范围内对信号在数十波长范围内对信号求平均，可得到短区间中值。求平均，可得到短区间中值。空间传播损耗与弥散空间传播损耗与弥散多径衰落多径衰落阴影衰落阴影衰落2.1 概述概述重庆大学重庆大学 Chongqing University University 25252021年年10月月18日星期一日星期一三类衰落效应图三类衰落效应图 阴影衰落：阴影衰落：由于传播环境由于传播环境中的地形起伏、建筑物及中的地形起伏、建筑物及其他障碍物对电波其他障碍物对电波遮蔽遮蔽所所引起的

24、衰落。引起的衰落。 数百波长区间内，信号的数百波长区间内，信号的短区间中值也出现缓慢变动短区间中值也出现缓慢变动的特征。的特征。 其衰落特性符合其衰落特性符合对数正态对数正态分布分布。 这种衰落速率较慢，又称这种衰落速率较慢，又称慢衰落慢衰落。 在较大区间内对短区间中在较大区间内对短区间中值求平均可得长区间中值。值求平均可得长区间中值。空间传播损耗与弥散空间传播损耗与弥散多径衰落多径衰落阴影衰落阴影衰落2.1 概述概述重庆大学重庆大学 Chongqing University University 26262021年年10月月18日星期一日星期一三类衰落效应图三类衰落效应图 空间传播损耗与弥散

25、空间传播损耗与弥散 长区间中值随距基站的长区间中值随距基站的距离而变，其衰减特性距离而变，其衰减特性一般服从一般服从 律。其中律。其中n n一般取一般取3-43-4。 它表明的是在以公里计它表明的是在以公里计的较大范围内接收信号的较大范围内接收信号的变化特性。的变化特性。nd空间传播损耗与弥散空间传播损耗与弥散多径衰落多径衰落阴影衰落阴影衰落2.1 概述概述重庆大学重庆大学 Chongqing University University 27272021年年10月月18日星期一日星期一三类衰落对无线系统工程的影响三类衰落对无线系统工程的影响 从无线系统工程的角度看从无线系统工程的角度看 传播损

26、耗和阴影衰落主要影响到无线区的覆传播损耗和阴影衰落主要影响到无线区的覆盖盖。合理的设计总可以消除这种不利的影响。合理的设计总可以消除这种不利的影响。 多径衰落严重影响信号传输质量多径衰落严重影响信号传输质量，并且是不，并且是不可避免的，只能采用抗衰落技术来减少其影响。可避免的，只能采用抗衰落技术来减少其影响。 2.1 概述概述重庆大学重庆大学 Chongqing University University 28282021年年10月月18日星期一日星期一三类衰落对无线系统工程的影响三类衰落对无线系统工程的影响2.1 概述概述 移动通信电波传播最具特色的现象是多径衰落移动通信电波传播最具特色的现

27、象是多径衰落, , 或称多或称多径效应。无线电波在传输过程中会受到地形、地物的影径效应。无线电波在传输过程中会受到地形、地物的影响而产生响而产生反射、绕射、散射反射、绕射、散射等等, , 从而使电波沿着各种不从而使电波沿着各种不同的路径传播同的路径传播, , 这称为多径传播。由于多径传播使得接这称为多径传播。由于多径传播使得接收端接收到的信号也是在收端接收到的信号也是在幅度、相位、频率和到达时间幅度、相位、频率和到达时间上都不尽相同的多条路径上信号的合成信号上都不尽相同的多条路径上信号的合成信号, , 因而会产因而会产生信号的生信号的频率选择性衰落和时延扩展频率选择性衰落和时延扩展等现象等现象

28、, , 这些被称这些被称为多径衰落或多径效应。为多径衰落或多径效应。 所谓频率选择性衰落所谓频率选择性衰落是指信号中各分量的衰落状况与频是指信号中各分量的衰落状况与频率有关率有关, , 即传输信道对信号中不同频率成分有不同的、即传输信道对信号中不同频率成分有不同的、随机的响应。由于信号中不同频率分量衰落不一致随机的响应。由于信号中不同频率分量衰落不一致, , 因因此衰落信号波形将产生失真。此衰落信号波形将产生失真。 重庆大学重庆大学 Chongqing University University 29292021年年10月月18日星期一日星期一2.1.1 2.1.1 电磁波传播电磁波传播2.1

29、.2 2.1.2 移动信道移动信道2.1.3 2.1.3 陆地移动信道无线电波传播陆地移动信道无线电波传播2.1.4 2.1.4 地形环境分类地形环境分类2.1 概述概述重庆大学重庆大学 Chongqing University University 30302021年年10月月18日星期一日星期一地形特征定义地形特征定义 地形环境不同，电波特性就不相同。地形环境不同，电波特性就不相同。 将传播环境按地形特征分类，有助于研究不同地将传播环境按地形特征分类，有助于研究不同地形环境下的电波传播特性。形环境下的电波传播特性。 主要考虑传播路径中的地形变形度量以及地形起主要考虑传播路径中的地形变形度量

30、以及地形起伏区域中的天线高度计算两个问题。即：伏区域中的天线高度计算两个问题。即： 地形波动高度地形波动高度 天线有效高度天线有效高度2.1 概述概述重庆大学重庆大学 Chongqing University University 31312021年年10月月18日星期一日星期一地形波动高度地形波动高度1010高度线指地形剖面图上有高度线指地形剖面图上有1010地段上高度超过此线的一条水平线地段上高度超过此线的一条水平线 地形波动高度地形波动高度h h描述电波传播路径中地形变化的描述电波传播路径中地形变化的程度。程度。 h h定义为：定义为：沿通信方向，距接收地点沿通信方向，距接收地点lOkm

31、lOkm范围内，范围内，1010高度线和高度线和9090高度线之高度差高度线之高度差2.1 概述概述重庆大学重庆大学 Chongqing University University 32322021年年10月月18日星期一日星期一地形特征定义地形特征定义 地形环境不同，电波特性就不相同。地形环境不同，电波特性就不相同。 将传播环境按地形特征分类，有助于研究不同地将传播环境按地形特征分类，有助于研究不同地形环境下的电波传播特性。形环境下的电波传播特性。 主要考虑传播路径中的地形变形度量以及地形起主要考虑传播路径中的地形变形度量以及地形起伏区域中的天线高度计算两个问题。即：伏区域中的天线高度计算两

32、个问题。即： 地形波动高度地形波动高度 天线有效高度天线有效高度2.1 概述概述重庆大学重庆大学 Chongqing University University 33332021年年10月月18日星期一日星期一天线有效高度天线有效高度 移动台天线有效高度：移动台天线有效高度：移功台天线距地面的实际移功台天线距地面的实际高度高度 基站天线有效高度基站天线有效高度h hb b: :沿电波传播方向，距基站天沿电波传播方向，距基站天线线3-15km3-15km的范围内平均地面高度以上的天线高度的范围内平均地面高度以上的天线高度2.1 概述概述重庆大学重庆大学 Chongqing University

33、University 34342021年年10月月18日星期一日星期一地形分类地形分类 从电波传播的角度考虑，可将千差万别的从电波传播的角度考虑，可将千差万别的实际地形分为两类实际地形分为两类 准平坦地形：准平坦地形：指该地区的地形波动高度在指该地区的地形波动高度在20m20m以内，而且起伏缓慢。平坦地形包含在这一类以内，而且起伏缓慢。平坦地形包含在这一类中中 不规则地形：不规则地形：是指除准平坦地形之外的其它是指除准平坦地形之外的其它地形。不规则地形按其形态，又可分为若干类，地形。不规则地形按其形态，又可分为若干类，如丘陵地形，孤立山岳，倾斜地形和水陆混合如丘陵地形，孤立山岳，倾斜地形和水陆

34、混合地形等。地形等。2.1 概述概述重庆大学重庆大学 Chongqing University University 35352021年年10月月18日星期一日星期一地形分类地形分类地地 形形 h (m)h (m)水平或非常平坦地形水平或非常平坦地形0 05 5平坦地形平坦地形5 51010准于坦地形准于坦地形10102020小土岗式起伏地形小土岗式起伏地形20204040丘陵地形丘陵地形40408080小山区小山区8080150150山区山区150150300300陡峭山区陡峭山区300300700700特别陡峭山区特别陡峭山区700700 各类地形的地面波动高度各类地形的地面波动高度h h

35、2.1 概述概述重庆大学重庆大学 Chongqing University University 36362021年年10月月18日星期一日星期一传播环境分类传播环境分类 除地形条件外，电波传播还受楼房、人工建筑以及树木除地形条件外，电波传播还受楼房、人工建筑以及树木等的影响。即传播环境应包括自然地形、建筑物和植被状等的影响。即传播环境应包括自然地形、建筑物和植被状况。根据建筑物植被状况，传播环境可分为四类：况。根据建筑物植被状况，传播环境可分为四类： 开阔地区：开阔地区：在电波传播方向上无建筑物或树木等障碍的开阔状在电波传播方向上无建筑物或树木等障碍的开阔状地带。平原地区的农村属于开阔区。地

36、带。平原地区的农村属于开阔区。 郊区：郊区：在移动台附近有些障碍物，但稠密建筑物多为在移动台附近有些障碍物，但稠密建筑物多为1-21-2层楼层楼房。城市外围以及公路网可视为郊区。房。城市外围以及公路网可视为郊区。 中小城市地区：中小城市地区：建筑物较多，可有高层建筑，但数量较少，街建筑物较多，可有高层建筑，但数量较少，街道也比较宽。道也比较宽。 大城市地区：大城市地区：建筑物密集，街道较窄，高层建筑较多。建筑物密集，街道较窄，高层建筑较多。2.1 概述概述重庆大学重庆大学 Chongqing University University 37372021年年10月月18日星期一日星期一第二章第二

37、章 无线通信传播与移动信道无线通信传播与移动信道2.1 2.1 概述概述2.2 2.2 自由空间传播自由空间传播2.3 2.3 多径传播的基本特性多径传播的基本特性2.4 2.4 多径传播对数字传输的影响多径传播对数字传输的影响2.5 2.5 阴影衰落传播阴影衰落传播2.6 2.6 电波传播的路径损耗预测模型电波传播的路径损耗预测模型2.7 2.7 多径传播的建模与仿真多径传播的建模与仿真2.8 2.8 外部噪声与干扰外部噪声与干扰重庆大学重庆大学 Chongqing University University 38382021年年10月月18日星期一日星期一 自由空间是满足下述条件的一种理想

38、空间自由空间是满足下述条件的一种理想空间 均匀均匀无损耗无损耗的无限大空间；的无限大空间； 各向同性；各向同性； 电导率为零，介电常数电导率为零，介电常数和磁导率和磁导率分别等于分别等于真空介电常数真空介电常数0 0和真空磁导率和真空磁导率0 0； 这种空间中，不存在电波的反射、折射、绕射、这种空间中，不存在电波的反射、折射、绕射、色散和吸收等现象，而且电波传播速率等于真空色散和吸收等现象，而且电波传播速率等于真空中光速中光速c c。2.2.1 自由空间定义自由空间定义2.2 自由空间传播自由空间传播重庆大学重庆大学 Chongqing University University 393920

39、21年年10月月18日星期一日星期一 自由空间假设对信道电波特性分析的意义自由空间假设对信道电波特性分析的意义 无线电波在自由空间的传播是电波传播研究中最基本、无线电波在自由空间的传播是电波传播研究中最基本、最简单的一种，现实环境中并不存在。最简单的一种，现实环境中并不存在。 在研究移动通信电波传播问题时，自由空间的概念提在研究移动通信电波传播问题时，自由空间的概念提供了一个比较各种传播环境的标准，可简化场强和传输供了一个比较各种传播环境的标准，可简化场强和传输损耗的计算，损耗的计算，通常可把满足一定条件的理想空间视为自通常可把满足一定条件的理想空间视为自由空间由空间。 如果现实环境中，传播介

40、质与障碍物对电波传播影响如果现实环境中，传播介质与障碍物对电波传播影响的程度小到可以忽略，则这种条件下的电波传播可认为的程度小到可以忽略，则这种条件下的电波传播可认为是自由空间传播。是自由空间传播。2.2.1 自由空间定义自由空间定义2.2 自由空间传播自由空间传播重庆大学重庆大学 Chongqing University University 40402021年年10月月18日星期一日星期一 自由空间传播的接收点信号功率自由空间传播的接收点信号功率2.2.2 自由空间电波传播的功率计算自由空间电波传播的功率计算rttrggdPP2)4( P Pt t为发射机送至天线的功率为发射机送至天线的功

41、率 g gt t和和g gr r分别为发射和接收天线增益分别为发射和接收天线增益 为波长为波长 d d为接收天线与发射天线之间的距离为接收天线与发射天线之间的距离。2.2 自由空间传播自由空间传播重庆大学重庆大学 Chongqing University University 41412021年年10月月18日星期一日星期一 自由空间传输损耗自由空间传输损耗L Ls s 在移动通信电路设计中，通常用传输损耗来表示电在移动通信电路设计中，通常用传输损耗来表示电波通过传输媒质时的功率损耗。波通过传输媒质时的功率损耗。传输损耗传输损耗L Ls s定义为发定义为发射功率射功率P Pt t与接收功率与接

42、收功率P Pr r之比。之比。L Ls s的表达式为的表达式为 2.2.3 自由空间传播损耗自由空间传播损耗rtrtsggdPPL1)4(2 损耗用分贝表示为损耗用分贝表示为 L LS S=32.45+20lg(f)+20lg(d)-10lg(g=32.45+20lg(f)+20lg(d)-10lg(gt tg gr r) ) 式中，距离式中，距离d d以以kmkm为单位，频率为单位，频率f f以以MHzMHz为单位。为单位。2.2 自由空间传播自由空间传播重庆大学重庆大学 Chongqing University University 42422021年年10月月18日星期一日星期一 自由空

43、间传输损耗自由空间传输损耗L Ls s 在移动通信电路设计中，通常用传输损耗来表示电在移动通信电路设计中，通常用传输损耗来表示电波通过传输媒质时的功率损耗。波通过传输媒质时的功率损耗。传输损耗传输损耗L Ls s定义为发定义为发射功率射功率P Pt t与接收功率与接收功率P Pr r之比。之比。L Ls s的表达式为的表达式为rtrtsggdPPL1)4(2 损耗用分贝表示为损耗用分贝表示为 L LS S=32.45+20lg(f)+20lg(d)-10lg(g=32.45+20lg(f)+20lg(d)-10lg(gt tg gr r) )自由空间路径损耗自由空间路径损耗 2.2.3 自由空

44、间传播损耗自由空间传播损耗2.2 自由空间传播自由空间传播重庆大学重庆大学 Chongqing University University 43432021年年10月月18日星期一日星期一 自由空间路径损耗自由空间路径损耗L LbSbS L Ls s=L=LbSbS-G-Gt t-G-Gr r L LbSbS=32.45+20lg(f)+20lg(d)=32.45+20lg(f)+20lg(d)2.2.4 自由空间路径损耗自由空间路径损耗 G Gt t和和G Gr r分别为发射和接收天线增益分别为发射和接收天线增益(dB)(dB)。 L LbSbS定义为自由空间路径损耗，有时又称为自由空间基定

45、义为自由空间路径损耗，有时又称为自由空间基本传输损耗。本传输损耗。 L LbSbS表示自由空间中两个理想点源天线表示自由空间中两个理想点源天线( (增益系数增益系数G=1G=1的的天线天线) )之间的传输损耗。之间的传输损耗。 L LbS bS 仅与仅与f f和和d d有关。当有关。当f f或或d d扩大一倍时，扩大一倍时，L LbSbS分别分别增加增加6dB6dB2.2 自由空间传播自由空间传播重庆大学重庆大学 Chongqing University University 44442021年年10月月18日星期一日星期一 自由空间损耗的两点说明自由空间损耗的两点说明 自由空间不吸收电磁能量

46、，其传输损耗表明自由空间不吸收电磁能量，其传输损耗表明球面波在传播过程中，随着传播距离增大而引球面波在传播过程中，随着传播距离增大而引起的起的电磁波能量辐射损耗电磁波能量辐射损耗。 由自由空间损耗可以看出：接收天线所捕获由自由空间损耗可以看出：接收天线所捕获的信号功率仅仅是发射天线辐射功率的很小一的信号功率仅仅是发射天线辐射功率的很小一部分。部分。 2.2.4 自由空间路径损耗自由空间路径损耗2.2 自由空间传播自由空间传播重庆大学重庆大学 Chongqing University University 45452021年年10月月18日星期一日星期一 电波的理想传输与实际传输电波的理想传输与

47、实际传输 电波的理想传输电波的理想传输 2.2.5 电波的理想传输与实际传输电波的理想传输与实际传输 电波的实际传输电波的实际传输 N N取值的近似规律：当取值的近似规律：当d d小于小于15km15km时，时，n n取取3-3-4 4；当；当d d大于大于15km15km时，时，n n取取5-65-6 东京市区实测场强与距离的关系曲线东京市区实测场强与距离的关系曲线21dPrnrdP12.2 自由空间传播自由空间传播重庆大学重庆大学 Chongqing University University 46462021年年10月月18日星期一日星期一场强与距离的关系曲线场强与距离的关系曲线 由图可

48、知，在城市环由图可知，在城市环境中，衰落信号的平均境中，衰落信号的平均强度与自由空间相比，强度与自由空间相比，损耗要增加损耗要增加20dB20dB左右。左右。2.2 自由空间传播自由空间传播重庆大学重庆大学 Chongqing University University 47472021年年10月月18日星期一日星期一第二章第二章 无线通信传播与移动信道无线通信传播与移动信道2.1 2.1 概述概述2.2 2.2 自由空间传播自由空间传播2.3 2.3 多径传播的基本特性多径传播的基本特性2.4 2.4 多径传播对数字传输的影响多径传播对数字传输的影响2.5 2.5 阴影衰落传播阴影衰落传播2

49、.6 2.6 电波传播的路径损耗预测模型电波传播的路径损耗预测模型2.7 2.7 多径传播的建模与仿真多径传播的建模与仿真2.8 2.8 外部噪声与干扰外部噪声与干扰重庆大学重庆大学 Chongqing University University 48482021年年10月月18日星期一日星期一2.3.1 2.3.1 多径衰落多径衰落2.3.2 2.3.2 多径传播模型多径传播模型2.3.3 2.3.3 多普勒频移多普勒频移2.3.4 2.3.4 多径接收信号幅度的统计分析多径接收信号幅度的统计分析2.3 多径传播的基本特性多径传播的基本特性重庆大学重庆大学 Chongqing Univers

50、ity University 49492021年年10月月18日星期一日星期一多径传输信道模型多径传输信道模型 陆地移动信道的主要特征是多径传播陆地移动信道的主要特征是多径传播2.3 多径传播的基本特性多径传播的基本特性重庆大学重庆大学 Chongqing University University 50502021年年10月月18日星期一日星期一多径衰落概述多径衰落概述在移动通信环境中，发射的电波经历了不同路径；在移动通信环境中，发射的电波经历了不同路径；电波通过各个路径的距离不同，导致传播时间和电波通过各个路径的距离不同，导致传播时间和相位均不相同。多个不同相位的信号在接收天线处相位均不相

51、同。多个不同相位的信号在接收天线处叠加，时而同相叠加增强，时而反相叠加减弱；叠加，时而同相叠加增强，时而反相叠加减弱；接收信号的幅度在较短时间内急剧变化，产生了接收信号的幅度在较短时间内急剧变化，产生了衰落，由于它由多径引起，称之为多径衰落。衰落，由于它由多径引起，称之为多径衰落。(下面是图示说明多径衰落现象的本质下面是图示说明多径衰落现象的本质)2.3 多径传播的基本特性多径传播的基本特性重庆大学重庆大学 Chongqing University University 51512021年年10月月18日星期一日星期一2.3 多径传播的基本特性多径传播的基本特性图(a) 两径传播的叠加（加强和

52、减弱）图(b) 衰落包络随两径不同相位的变化 多径衰落现象的本质（多径衰落现象的本质（1/2）重庆大学重庆大学 Chongqing University University 52522021年年10月月18日星期一日星期一2.3 多径传播的基本特性多径传播的基本特性 多径衰落现象的本质（多径衰落现象的本质（2/2）重庆大学重庆大学 Chongqing University University 53532021年年10月月18日星期一日星期一 自由空间传播（自由空间传播（LOSLOS） 反射反射 当电波信号传播碰撞到大大的大于信号波长的障碍物当电波信号传播碰撞到大大的大于信号波长的障碍物时发

53、生反射时发生反射 散射散射 当电波信号传播碰撞到小于信号波长的障碍物或平面当电波信号传播碰撞到小于信号波长的障碍物或平面时发生散射时发生散射 绕射绕射 信号能量绕过障碍物传播的机制信号能量绕过障碍物传播的机制, ,也称衍射也称衍射产生多径的原因产生多径的原因2.3 多径传播的基本特性多径传播的基本特性重庆大学重庆大学 Chongqing University University 54542021年年10月月18日星期一日星期一多径衰落的度量多径衰落的度量 空间度量空间度量 时间度量时间度量2.3 多径传播的基本特性多径传播的基本特性重庆大学重庆大学 Chongqing University

54、University 55552021年年10月月18日星期一日星期一空间度量空间度量 本地反射物所引本地反射物所引起的多径效应呈现起的多径效应呈现较快幅度变化。较快幅度变化。 其局部均值随距其局部均值随距离增加而起伏下降，离增加而起伏下降，反映了地形起伏所反映了地形起伏所引起的衰落以及空引起的衰落以及空间扩散损耗。间扩散损耗。 空间度量空间度量: :沿移动台运动方向，接收信号的幅度沿移动台运动方向，接收信号的幅度随距离变动呈现衰减。随距离变动呈现衰减。2.3 多径传播的基本特性多径传播的基本特性重庆大学重庆大学 Chongqing University University 56562021

55、年年10月月18日星期一日星期一时间度量时间度量 时延扩展时延扩展(Time Delay Spread)(Time Delay Spread)多径效应引起的接收多径效应引起的接收信号中脉冲的宽度扩展现象信号中脉冲的宽度扩展现象 TDS:TDS:第一个码元至最后一个多径信号间的时间来测量第一个码元至最后一个多径信号间的时间来测量 郊区郊区TDSTDS为为0.50.5s,s,市区市区TDSTDS为为3 3ss 各个路径的长度不同，到达时间也不相同。若从基站发射各个路径的长度不同，到达时间也不相同。若从基站发射一个脉冲信号，则接收信号中不但包括该脉冲，而且还包括一个脉冲信号，则接收信号中不但包括该脉

56、冲，而且还包括它的各个延迟信号它的各个延迟信号2.3 多径传播的基本特性多径传播的基本特性重庆大学重庆大学 Chongqing University University 57572021年年10月月18日星期一日星期一多径效应的分析方法多径效应的分析方法 模拟通信模拟通信 多径效应在模拟无线通信中主要考虑引起的多径效应在模拟无线通信中主要考虑引起的接收信号幅度变化。接收信号幅度变化。 数字通信数字通信 在数字无线通信中则主要考虑所引起的脉冲在数字无线通信中则主要考虑所引起的脉冲信号时延扩展。信号时延扩展。 因为时延扩展将引起码间串扰因为时延扩展将引起码间串扰(ISI)(ISI)，严重，严重影

57、响数字信号的传输质量。影响数字信号的传输质量。2.3 多径传播的基本特性多径传播的基本特性重庆大学重庆大学 Chongqing University University 58582021年年10月月18日星期一日星期一2.3 多径传播的基本特性多径传播的基本特性2.3.1 2.3.1 多径衰落多径衰落2.3.2 2.3.2 多径传播模型多径传播模型2.3.3 2.3.3 多普勒频移多普勒频移2.3.4 2.3.4 多径接收信号幅度的统计分析多径接收信号幅度的统计分析重庆大学重庆大学 Chongqing University University 59592021年年10月月18日星期一日星期

58、一两径传播模型两径传播模型 两径模型两径模型: :直射波直射波+ +地面反射波地面反射波2.3 多径传播的基本特性多径传播的基本特性重庆大学重庆大学 Chongqing University University 60602021年年10月月18日星期一日星期一两径传播模型两径传播模型22.)exp()1 ()exp(1)4(jARjRggdPPrttr 第一项代表直射波第一项代表直射波 第二项代表地面反射波第二项代表地面反射波 第三项代表地表面波第三项代表地表面波 省略号代表感应场和地面二次效应省略号代表感应场和地面二次效应 接收点信号功率接收点信号功率 自由空间传播自由空间传播2.3 多径

59、传播的基本特性多径传播的基本特性重庆大学重庆大学 Chongqing University University 61612021年年10月月18日星期一日星期一两径传播模型两径传播模型 VHF VHF和和UHFUHF移动通信系统中忽略地表面波的影响，所以移动通信系统中忽略地表面波的影响，所以22)exp(1)4(jRggdPPrttr P Pr r和和P Pt t分别为接收功率和发射功率分别为接收功率和发射功率 g gr r和和g gt t分别为基站和移动台天线增益分别为基站和移动台天线增益 R R是地面反射系数是地面反射系数 d d为两天线距离为两天线距离 为波长为波长 为两条路径的相位差

60、为两条路径的相位差2.3 多径传播的基本特性多径传播的基本特性重庆大学重庆大学 Chongqing University University 62622021年年10月月18日星期一日星期一两径传播模型两径传播模型 接收点路径相差接收点路径相差 = =L L/ / L=(AC+CB)-ABL=(AC+CB)-AB 给定基站、移动台天线高度，工作频率以及给定基站、移动台天线高度，工作频率以及选定选定 和和 ，可用计算机算出接收信号功率随距，可用计算机算出接收信号功率随距离离d d的变化曲线。的变化曲线。 两径传播模型的计算和实测结果两径传播模型的计算和实测结果2.3 多径传播的基本特性多径传播